超声波压焊

超声波压焊

     超声波压焊(Wire Bonding，又称为"帮定")是一种初级内部互连方法，是连到实际的裸片表面或器件逻辑电路的最初一级的内部互连方式，这种连接方式把逻辑信号或芯片的电信号与外界连起来。其它的初级互连方式包括倒装芯片和卷带自动焊接(TAB)，但是超声波压焊在这些连接方法中占有绝对优势，所有互连方式中有90%以上都是用这种方法。在这个数字中又有约90%采用金线超声波压焊，其余的则使用铝及其它贵金属或近似贵金属的材料。
    
     超声波压焊的种类
    
     超声波压焊用于芯片到基板、基板到基板或者基板到封装的连接，它有两种形式：球焊和楔焊。
    
     金丝球焊是最常用的方法，在这种工艺中，一个熔化的金球粘在一段线上，压下后作为第一个焊点，然后从第一个焊点抽出弯曲的线再以新月形状将线(第二个楔形焊点)连上，然后又形成另一个新球用于下一个的第一个球焊点。金丝球焊被归为热声工艺，也就是说焊点是在热(一般为150℃)、超声波、压力以及时间的综合作用下形成的。
    
     第二种压焊方法是楔形工艺，这种工艺主要使用铝线，但也可用金线，通常都在室温下进行。楔焊将两个楔形焊点压下形成连接，在这种工艺中没有球形成。铝线焊接工艺被归为超声波线焊，形成焊点只用到超声波能、压力以及时间等参数。
    
     不同工艺类型的采用取决于具体的应用场合。比如金线压焊用于大批量生产的场合，因为这种工艺速度较快。铝线压焊则用于封装或PCB不能加热的场合。另外，楔形压焊工艺比金线压焊具有更精细的间距。目前，金线压焊的间距极限为60μm；采用细铝线楔形压焊可以达到小于60μm的间距。
    
     应用场合
    
     超声波压焊应用的场合多种多样，最终产品从个人电脑、录像机、微波炉到汽车、飞机等。自动化超声波压焊行业已有20到25年的历史，已经发展得相当成熟。设备的速度和精度以及处理不同类型材料的能力都有了提高。与之相反，人工压焊设备可用于一些特定场合，比如在元件不能用于自动压焊机上的时候。人工压焊用得最多的地方是磁盘驱动器的组装。
    
     在厚膜混合电路、MCM以及类似封装的压焊中，有一些特殊要求是单片器件所没有的。这类产品的一个主要问题是对大面积和深入取放要求的特殊处理。当产品内有步进高度时，比如压焊到裸片、基板和封装引脚时，直线运动的Z轴压焊机头要能够通过简单的设置，在0到250mil或更大的范围内找寻到焊接表面。
    
     对于厚膜混合电路和MCM，其他的特殊要求还有包含在封装内的各种芯片及每种表面的特定属性。这就要求压焊机对每个焊点都具有对压力、时间及超声波参数进行编程的能力。另外，还需要能够使第一个和第二个焊点形成特定的成结形状。在微波应用中，成结的形状对电路调节是很重要的。
    
     购买超声波压焊机时，需要考虑几个方面。首先，要看压焊机能否生产所需要的产品？要确定这点，可以将任务交由供应商去完成，超声波压焊机的供应商不仅要知道如何完成目标任务，而且还要懂得冶金学知识和电子产品的生产制造。还需要决定的是设备的可靠性级别，以及在机器安装和投产后可以得到的服务支持如何。
    
     一般来讲，超声波压焊出现的问题分为三类。首先是材料，它是否适合高产量压焊工艺流程，比如金线压焊就需要光滑、洁净的焊接表面。一般金线焊在裸片的铝焊盘上，而厚薄不等的金膜则喷镀在基板上。表面的干净程度会影响焊接的可靠性。
    
     金线压焊是微电子装配中最敏感的工艺之一，它可以归为"决定性试验"，用来确定材料和工艺是否处于控制状态。如果没有控制好，那么压焊机就极有可能出现问题。
    
     材料问题包括焊接表面上的有机和无机污染，以及裸片结构上细微的裂纹等。通常可用清洗工艺去除有机污染，比如氩等离子气清洗。其他的材料问题通常需在前一道或几道工序中解决，比如在裸片和基板制造中。
    
     第二个可能出现的问题是压焊工艺的操作方式，包括如下问题：
    
     • 材料是否正确地送入机器？
     • 书写及编入的压焊程序是否正确？
    
     通常很难使得材料和工艺都保持较高程度的控制和可重复性，但是，这些却是造成压焊产出损失的主要原因。
    
     第三个要检查的是设备本身，尤其是机器的校正和运行情况。在平常解决压焊问题的过程中，这应该是要检查的最后一关。如果设备维护完好，材料和过程控制良好，压焊操作的缺陷率就完全可以小于100ppm。
    
     随着倒装芯片技术的不断提高，对超声波压焊的要求也越来越高，特别是I/O间距和焊盘形状。虽然超声波压焊机的供应商们不断降低作为处理能力的最低间距，但是每个倒装芯片上还是具有较高的I/O密度。不过直到下世纪初，超声波压焊仍将是初级互连的最主要方法。这是因为已经有了大量的配套设施，包括设备、配套材料及工艺技术人员，即使对一个小公司也能提供足够的支持服务。而且，即便存在上面谈及的问题，超声波压焊仍然是初级互连中最为灵活的方法。